某露天矿安全舱布局与技术路径完善探讨——某露天矿安全舱实际应用

刘 伟

（中核沽源铀业有限责任公司，河北 张家口 076561）

0 概述

该露天矿山处于内蒙古高原南部边缘高寒地带，属于坝上低山丘陵地貌单元，属干旱、半干旱大陆性高原季风气候。矿床开采划分为三期：一期开采标高地表～1444m，二期开采标高1444m～1250m，三期开采标高1250m～1150m。一期、二期均为露天开采，三期为地下开采。现开采至1444m 梯段，已形成10 个台阶，最大高差120m，处一期开采尾声阶段。

露天矿山中主要的生产系统包括开拓和运输系统、穿孔和采装系统、排土系统、防水和排水系统、供电系统等。从上而下、分多个水平梯段开采，梯段边坡角60°～70°，水平梯段高度12m。采用汽车运输开拓方式，公路纵坡8%，双车道，路面宽11.5m。梯段开挖采用中深孔爆破、挖掘机铲装、自卸汽车运输，最终边坡进行预裂爆破。

1 危险因素分析

1.1 边坡塌方

1.1.1 岩层

本区经历了漫长而复杂的地质演化历史，广泛发育了一套滨海～浅海相砂、泥质岩石与火山岩建造。地层由老到新依次为上太古界红旗营子群（Ar2）、中生界侏罗系上统（滦平群）（J）、侵入岩及新生界第四系（Q）。

露天采场开采东侧、南侧及西侧边坡，已揭露边坡岩层中生界侏罗系上统张家口组J3 Z 3-3、J3 Z 3-4、J3 Z 3-5含有凝灰岩，局部呈现高岭土化硅化，吸水性强透水性弱，为风化不稳定矿物，随着开采暴露时间延长，易导致滑坡。

1.1.2 构造

矿床范围内，主要发育有NEE、NW、NNE 三组断裂构造，其中具有代表性的为F45-1、F45-2、F3、F4、F9以及F10 等。构造F3 贯穿于采场西北至东南走向方向，角砾岩带。早期使围岩破碎，晚期被灰白色硅质胶结，形成硅化角砾岩。构造F45-1 贯穿采场东北方向，硅化角砾岩带。早期破碎成角砾，后期大量硅质充填，形成硅化角砾岩带。

1.1.3 水文

1.1.3.1 矿床地下水

矿床地下水分为基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水。

基岩裂隙水主要分布于张家口组三段地层层间破碎带和次流纹斑岩体内外接触带。水位埋深30m～50m，平均水位标高1509.83m，主要含水段埋深于1200m 标高以上，含水层平均总厚度80.60m。

系松散层孔隙水主要分布于矿床第四系冲积洪积物中，岩性为粉砂、黏土、砂砾石互层，厚度5m～46m，水位埋深3m～15m，平均水位标高1494.11m。该层地下水浅部为潜水，深部为承压水；岩层富水性较好。

1.1.3.1 地层构造的含水性

根据矿床岩层含水层统计结果，结合水文地质剖面图，基岩含水的特点是很难以层划分，不像沉积岩那样具有层状产出的特征，而是以裂隙含水段的形式表现出来，而且裂隙含水带具有各向异性，含水性由地表向深部逐渐减弱。矿床分布的张家口组三段、二段地层及次流纹斑岩体，岩石致密坚硬，其含水性与裂隙发育程度密切相关。各地层含水性统计结果，J3Z3-3、J3Z3-5、Cλπ 含水段分布多，单层厚度大，含水性相对较好，为矿床主要含水岩层、岩体。J3Z3-4、J3Z3-6角砾凝灰岩，遇水膨胀，一般不含水，可视为相对隔水层。

1.1.4 爆破作业

爆破是露天矿山采剥工程必不可少的作业环节，爆破使矿岩产生压缩、变形、破坏、松散和抛掷现象，开采矿岩的同时，对边坡岩体产生了破坏作用。降低了边坡岩体的强度，提高了自然降水、基岩裂隙水、潜水及构造含水在边坡的渗水能力。该露天矿山地处高寒地区，冻胀风化更为显著，进一步降低了边坡的稳定性。

1.2 矿坑涌水

露天矿山现已由山坡露天转为凹陷露天开采，开采范围及周边潜水、地下水流道、流向均发生改变，呈现采场四周向采场中心的流向。对此该露天矿山开展了水文地质补充勘探工程。

通过掌握最新的水文地质情况，该矿山先后开展了两期帷幕注浆治水工程。治水范围为采场涌水方向，即采场南侧450m、北侧360m。帷幕顶底标高分别为1504m、1410m，帷幕高度94m。水位线如图1 所示。

图1 露天采场帷幕外侧水位示意图

采剥过程中的爆破震动，会导致采场内侧帷幕灌浆出现振动，使帷幕注浆范围内的原有裂隙扩展或新裂隙产生，降低帷幕强度和防渗能力。爆破作业过程中会不断破坏帷幕的截水能力，一旦新的涌水通道被完全打开，可能会出现大量涌水的情况，危及采场内作业人员安全。

鉴于该露天矿山冬季停产，夏季雨天暂停施工，该文暂不考虑大气降水对采场作业面危险因素的影响。

2 安全舱性能要求

露天矿山安全舱作为采场工作面作业人员安全避难场所，应满足避免采场工作面作业过程中可能出现危险因素的不利影响，保障作业人员紧急避险后的人身安全。

安全舱可在露天矿山发生灾难或意外事故时，采场作业人员用于逃生、避难等待救援的封闭装置设备，应该满足以下要求。

2.1 强度要求

安全舱应满足在静态荷载作用下抵抗永久塑性变形和断裂的能力，已保证边坡塌方后安全舱周围的岩体对其静态荷载作用下的安全可靠[1]。因此，安全舱的强度是确保其安全性能的基本条件和要求。

2.2 抗冲击要求

一旦采场出现边坡塌方，破碎岩体将沿边坡滑落冲击安全舱，安全舱表层材料应该在滑落岩体冲击荷载作用下不被破坏。表层的抗冲击能力可以保证内层结构的稳定性，并保证内部设施完好，保障紧急避险人员安全。

2.3 减震降噪性能

安全舱受到滑落岩体撞击后，受滑落岩体动能作用，将会对安全舱产生一定的冲击作用，同时伴随着震动和噪声。因此需要对安全舱进行减震、降噪处理，保障避险人员在安全舱内安全和舒适。

2.4 防水性能

一旦发生采场透水事故，边坡涌水大量涌入工作面，短时大量涌水存在淹没工作面安全舱的可能性。因此，防止积水进入安全舱是保障舱内人员安全的必然要求。

2.5 生活保障功能

避险人员进入安全舱后，受救援难度、时间等不利因素影响，为了保证人员生存的基本需求，须在安全舱内存放必要的生活保障物资。

2.6 避险人员心理疏导

如何消除因事故造成安全舱内避险人员心理异常，使避险人员情绪稳定，保证救援工作顺利进行，也是事故应急救援不可忽视的重要环节。

2.7 方便救援

发生事故后，安全舱所处的位置，关系到救援的难度和进度，尽可能减少安全舱上方覆盖的岩石量、积水量，也是安全舱外形设计、布设位置应重点考虑的内容。

3 安全舱设计

3.1 设计思路

以“以卵击石”、“鸡蛋里挑骨头”为设计灵感，将安全舱外形设计成类似鸡蛋的椭球体，椭球体内部设计椭球体钢筋骨架支撑外壁，提升安全舱外壁安全性能。安全舱类似“煮熟的鸡蛋”，包括外壳、蛋清（含有钢筋骨架及防震保护层）、蛋黄（避难人员核心区），如图2 所示。

图2 安全舱外形设计示意图

在发生滑坡的不利情况下，安全舱利用落石滑落的动能，朝滑落前进移动，即向采场工作一侧移动，可减少后续救援开挖土方工程量，便于后期救援，如图3 所示。

图3 安全舱遇险示意图

安全舱受滑落岩石冲击产生旋转运动，通过舱内饰的合理布局解决人员遇险过程中的应急风险。滑坡能量释放完毕进入救援期，通过在舱体内布设其他设备设施，保证避险人员的生理需求，为救援提供有利条件。

根据安全舱的外部形状、内部结构、遇险应急响应、便于救援及全过程保障遇险人员安全等因素，构建了安全舱设计的总思路。

3.2 安全舱强度及稳定性分析

根据安全舱设计思路，采用薄壳理论进行理论[2]推导验算，核算安全舱强度及稳定性，安全舱纵剖面示意图如图4所示[3]。纵剖面曲线方程如公式（1）所示。

图4 安全舱纵剖面示意图

因此可得公式（2）。

该曲线关于x轴对称，y为正，对y值分别求一阶、二阶导函数，如公式（3）和公式（4）所示。

如图4 所示，可得如下关系：

根据微体平衡方程，可以推导出经向应力δϕ和纬向应力δθ，如公式（9）和公式（10）所示。

式中：p为外压力，t为安全舱耐压壳厚度。

根据Mushtri 方程[4]，求得安全舱耐压壳屈曲临界应力，如公式（11）所示。

式中：t为厚度，R1，R2为壳上主要曲率半径的平均值。

3.3 框架设计

安全舱外形为类椭球体的“鸡蛋型”，根据安全舱稳定性及强度计算，结合矿山实际需求，确定长度（长轴）4m，高度（短轴）2.35m。安全舱舱门设置“大头”侧，其内侧钢筋骨架设置第二道门。

钢筋骨架位于舱体内侧，与舱体外壳间距0.1m，整体构造仍为椭球体，焊接缝处增设支杆、托盘，托盘面积为0.01m2，用于支撑舱体外壁。

综合考虑安全舱应用的场景和要求，重点考虑其强度指标，安全舱舱体外壳、钢筋骨架均采用高强度Q345 钢材。安全舱外壳选用厚12mm 板材，经磨具制作完成椭球体左右2 个部分，保证舱体完整，如图5 所示。安装过程采用焊接方式，将左右2 个部分形成外壳整体。

图5 安全舱双层结构示意图

安全舱钢筋骨架结构采用方形空心钢管，规格为80mm×80mm，厚度80mm。其外侧支撑托板，规格为100mm×100mm，厚度10mm，与外壳采用焊接连接[5]。

外壳与钢筋骨架内填充聚苯乙烯泡沫材料，连续均匀喷涂，可起到防噪、减震作用，减少岩体与舱体碰撞过程中对避险人员的伤害。

3.4 密封性

安全舱外壳舱门，采用斜向下滑式，便于避险人员快速关闭，门缝设置橡胶密封条，防止有害气体、粉尘以及水等进入舱体。钢筋骨架设置第二道门，同时设置密封设施，起到双重保护的作用。

3.5 座椅

座椅固定在钢骨架上，位于第二道门0.2m 内侧，双排对称布设，高度0.5m，宽度0.5m，共计12 个座位，可满足12 人同时避险。座椅设置双重安全带，内侧为软质安全带，外侧为刚性安全带。刚性安全用于固定避险人员，防止舱体转动过程中，人员晃动造成伤害；将软质安全带用于舱体避险稳定后，用于舱体转动造成人员侧向或朝下等行动不便的人身保护。座椅具有旋转功能，可以从多角度进行调整，以应对舱体旋转。

3.6 生活保障

舱体内设置氧气自救器、矿泉水、食物等生活必需品[6]。自救器放置于座椅上方，便于避免人员进入后立即使用；其他生活必需品放置于两排座椅之间的铁皮柜。

在舱体“小头”侧，设置简易封闭卫生间，生活排泄物不会因舱体转动而发生外溢，保证舱体内空气质量和人员舒适度。设置固定氧气瓶，外侧进行固定，以应对长时间救援的情况。

3.7 通信保障

舱体内设置通信基站，避险人员可通过舱体内平板电脑接入该露天矿山北斗数字化系统。数字化系统现已建成采场范围内人员、设备定位、全景视频全覆盖。通过露天矿山所有视频监控查看舱体外实景及救援现场情况，减少避险人员的焦虑情绪。

舱体内设置定位系统，通过与人员定位的有效联动，可以为救援提供准确位置，为科学救援提供必要条件。

3.8 辅助功能

座椅扶手配备耳塞，降低撞击过程中噪声对避险人员听力的损伤；舱内配备4 块电瓶（12V，120Ah），逆变器DC12V转AC 220V，功率1000W，用以保障舱内照明设施、电子设备的使用；水下安全应急设备的配备，防止舱体破损，造成采场涌水进入舱体。

4 结论

通过对该露天矿山安全体系的分析，采场工作缺少临时避难场所，建立露天矿山安全舱是必要的。“以石击卵”的鸡蛋型舱体外壳设计，可利用滑落岩体动能，使安全舱随边坡滑动方向运动，降低后续救援的土方开挖量。“鸡蛋里加骨头”可以进一步增加椭形外壳强度，提升安全舱力学结构，保障避险人员安全。煮熟鸡蛋的“蛋壳、蛋清、蛋黄”的分层结构，可确保外壳的强度，保证安全舱的整体稳固；“蛋清”的减震降噪，可以进一步提升避险人员的舒适度；舱体核心设施设备，可确保降低避险人员的安全。通信保障可以使避险人员随时查看救援现场，了解舱体外实施情况，便于救援过程的顺利开展。目前该露天矿山安全舱应用仍处于探索阶段，舱体相关设计仍存在较大提升空间。后续可利用扩帮爆破等，开展相关无人试验，进一步优化安全舱设计。